第2章　水下仿生机器人建模分析

2.1　仿生学理论

自然界中的物种种类繁多，大都是经过了亿万年的进化，能够适应环境的变化，得到了生存和发展。经过漫长的进化之后，生物体的身体结构达到最合理状态，并发展了灵巧的运动模式。自然界中丰富的生物物种，一直是人们发明创造的源泉。随着生产的需要和科学技术的进步，人们利用化学、生物学、物理学等对自然界中的生物系统进行研究，将从生物界中获得的知识应用到设计、研制新的机器、设备、材料中，并在航空、航海等领域中取得了成功。于是，生物学、信息科学、数学与力学等互相结合、互相渗透孕育出一门新的学科——仿生学[19]。

仿生学的内容包括力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生、细胞仿生等。其中，力学仿生主要研究生物的宏观结构性能，包括生物的大体结构、静力学特性和动力学性质，例如建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑；分子仿生主要研究生物的微观特性，包括生物体内酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性等，例如研究清除森林害虫引诱激素的化学结构，合成一种有机化合物用于诱杀田间的害虫；能量仿生主要是对生物体内能量转换过程和新陈代谢进行研究，包括生物肌肉的化学能、机械能之间的能量转换，生物电器官的发光等；信息与控制仿生主要研究生物对信息的处理，包括生物的感觉器官、神经元与神经网络以及高级中枢的智能活动等，例如人工智能、智能机器人模拟人类大脑的学习记忆和思考功能；细胞仿生主要研究细胞的特性，包括细胞的薄膜、光合作用等，例如利用细胞薄膜特性将脏水、海水过滤等[23]。

2.1.1　仿生学研究进展

在生命、材料和信息等科学飞速发展的今天，仿生学的研究与应用在国内外都得到了极大的关注和蓬勃的发展。1960年9月，在美国俄亥俄州空军基地召开了第一次世界仿生学大会，此后几十年，世界各国都展开了仿生学的研究，仿生学理论飞速发展，基于仿生学的装置不断涌现出来。我国的仿生学研究始于1964年前后，1975年12月中国科学院在北京主持召开了我国第一次仿生学座谈会，并在1977年的“全国自然科学学科规划会议”上全面制定了我国的仿生学研究规划。自此，仿生学已普遍引起了国内许多学科和部门的关注，并陆续开展了研究工作。我国在2003年召开了两届“香山会议”，即第214届“飞行和游动生物力学和仿生应用”和第220届“仿生学的科学意义与前沿”。此后，又分别在2010年和2011年召开了第387届“分子仿生”、第395届“高效降解生物质的自然生物系统资源利用与仿生”以及第411届“仿生材料与器件：结构、力学与功能”三届香山会议。为促进仿生学科的发展，吉林大学工程仿生教育部重点实验室联合15个国家的仿生学者牵头发起成立了“国际仿生工程学会”，学会秘书处设在中国。这是国际学术界对我国仿生学研究水平和学术地位的认可[20-22]。

仿生机器人是仿生学和机器人技术相结合的产物，机器人向着智能机器人发展的过程中，模仿生物的某项功能能够让机器人拥有特殊的能力[24]。例如，模仿蚂蚁，能够使机器人在陌生的环境中拥有超高的探路能力；模仿鸟类翅膀扑动可以进行空中仿生机器人的研制；模仿金枪鱼研发出的水下机器人，灵活性得到很大提升等[25-26]。

纵观仿生机器人的发展历史，可大致分为四个阶段：第一阶段是探索阶段，在这一阶段，从自然现象或者生物原型中模仿；第二阶段是进入20世纪中后期，计算机技术的出现，利用机电控制系统控制机器人实现生物功能，如爬行、飞行等；第三阶段是传统结构和仿生材料相结合，利用机电控制系统与生物材料相结合研发仿生机器人；第四阶段是不仅仅要求仿生机器人拥有生物的外表结构、性能，还能够拥有思考能力，能够自我学习，涉及神经控制系统仿生的领域。

随着科学技术的飞速发展，仿生学已经应用到各个领域，为人类解决各种复杂的问题提供了创新方法的源头，并取得了各种突破性的研究成果。

2.1.2　水下仿生学概述

水下仿生学是仿生学里面的一个分支，是通过研究水下生物的身体构造和运动机理，在工程技术上加以模仿运用，进行水下海洋调研开发的重要学科。

水生动物经过上亿年的进化，在优胜劣汰的环境中将在水中的游动能力进化到了很高的水平。许多鱼类、海龟等海洋哺乳动物能够在特定的季节中按照一定的路线作长距离的洄游并能找到原出生地点进行繁殖；海豚即使蒙上双眼也可以利用体内的声纳系统避开海中的障碍物。这些水下生物的特殊机能和结构系统使人类得到启发，并将其应用到工程技术中[27]。虽然仿生学形成的时间不长，但目前已取得较多成就，并且有广阔的发展前景。就水下仿生学而言，人类模仿水母接收低声波的机制，研发出了一种风暴警报仪，能够提前15h预测到来自某一方向的风暴；模仿海豚能够降低水的阻力的体形、皮肤结构，将人造海豚皮在鱼雷、潜艇上使用，达到减少阻力的目的[28]。

水下仿生机器人是一个水下高技术仪器设备的集成体，在军事领域和民用领域都有很大的应用前景。水下仿生机器人是从模仿水下生物的游动方式开始的，从流体动力学上更有效地模仿水下生物的推进方式，实现水下机器人高效的航行性能和灵活的操纵性能。

水下仿生机器人模仿不同的水下生物研制出了多种形态：东京工业大学机器人实验室在水下蛇形机器人HELIX的基础上，研制出了一种两栖蛇形机器人——ACMR5，如图2.1所示，它既可以在陆地爬行，也可以在水中游动。美国东北大学海洋科学中心研制出能够在水下自由行走的仿生机器人——机器龙虾（BUR-001），如图2.2所示。该仿生机器龙虾，长60.96cm，宽45.72cm，有8条腿和2个钳子，利用8条腿实现爬行功能，利用3个关节完成游动的动作。Nekton Research公司研制出了一种两栖机器人装置Madeleine——机器龟（Robot Turtle），它的尺寸是60cm×30cm×15cm，身体两侧各有两个平行的鳍作为驱动装置，游动时功率密度为5W/kg，突然动作时可达10W/kg，高功率密度可以让它具有海底生物的灵活性并且能在海底和海滩爬行。这些水下仿生机器人的外壳是防水的，并装有控制电路、电池和通用驱动器[29-31]。

水下仿生机器人大多是模仿鱼类的摆动实现推进，此类机器人被称为仿生机器鱼。世界上第一条机器鱼样机是1994年美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）研究人员模仿金枪鱼结构研制出的Robo Tuna仿生机器鱼，该仿生机器鱼利用直流伺服电机动力源带动6个关节进行联动，模仿鱼类游动。1999年，日本东京工业大学（Tokyo Institute of Technology，TIT）简化了海豚模型，研制出与实际海豚尺寸很接近的体长为1.75m的机器海豚，如图2.3所示，该机器海豚结合空气马达和弹簧结构进行推进，其游速可以达到1.2m/s。日本对仿生机器鱼的研究一直走在国际前列，其研制的PF系列（图2.4）具有高速和高加速度的特性。从2005年开始，英国的埃塞克斯大学（University of Essex）仿生机器鱼研究室开始进行仿生机器鱼的研究，G系列和MT系列如图2.5和图2.6所示。G系列机器鱼的运动性能参数从G1到G9不断优化，都可以保持1.2m/s的游动速度，转弯角度可达到120°，而且该机器鱼已经产品化，并在英国国家海洋馆展览。MT系列机器鱼与G系列机器鱼的区别主要在其结构上，前者为单电机带动多关节运动，后者主要的代表作品为多电机带动多关节协调运动，G系列的仿生机器鱼为三关节仿生机器鱼，通过3个伺服电机控制3个关节模拟锦鲤鱼的运动[32-34]。

国内在机器鱼的研究上从理论到样机的设计都相对起步较晚。1995年，沈阳自动化研究所在之前开展水下机器人研究的基础上，研制出CR-01型深水潜水器，揭开了中国水下机器人研发的新篇章。1999年，北京航空航天大学对机器鱼的研究理论做了系统的阐述，通过搭建相应的实验平台，研制出国内第一条仿生机器鱼——仿鳗鲡目身体波动式机器鱼Robotfish（图2.7），该机器鱼为六关节仿生机器鱼，通过直流伺服电机驱动，体长0.8m，最快游动速度为0.6m/s。该机器鱼的运动性能相对于当时国外的机器鱼运动性能可能较差，但开创了国内仿生机器鱼样机的研制先例[35]。

2003年，哈尔滨工业大学研制出两关节尾鳍仿生机器鱼，尾鳍采用联动装置，又依据仿生机器鱼的推进机理，成功研制出HRF-Ⅰ和HRF-Ⅱ仿生机器鱼（图2.8和图2.9），其游动速度可达0.5m/s[36]。

2004年，北京航空航天大学分块化研制出SPC系列机器鱼（图2.10）。该系列机器鱼主要分为三部分：计算机控制系统、图像处理和传输系统、动力系统；其续航时间为2～3h，游动速度最快为1.5m/s；其材料采用了新型材料中的纤维板和玻璃钢；最大用途是在实际水质监测中发挥了很大作用。

2005年，哈尔滨工程大学模仿蓝鳍金枪鱼，成功研制出仿生机器鱼仿生-Ⅰ（图2.11）。该仿生机器鱼采用三节点摆动机构，在尾鳍、尾柄、胸鳍部位分别设计了节点，利用三个伺服电机分别进行控制，胸鳍为联动结构，并利用储水-排水装置进行上浮下潜运动。该仿生机器鱼体长2.4m，最大游动速度为1.2m/s，最大潜水深度为10m[37]。

2.1.3　鱼类的生理机构及运动模式

鱼类是水生动物中数量最多的群体，而由于生活环境以及个体生活习性的差异，其种类纷繁复杂。但是由于其共同的生存载体——水，具有密度高以及压缩性差的特点，鱼类的身体构造也有一些相同的基本特征。

图2.12描绘了鱼类共有的基本特征，由于鱼类生活在水中且其在游动的过程中承受较大的阻力，因此鱼体一般呈纺锤形或者呈现具有较好流线体的扁平形，从而可以在最大程度上减少在水中游动的阻力[38]。此外，为了能够在水中灵活地游弋、捕食、躲避天敌或者进行迁徙，鱼类进化出了各种各样的鱼鳍，从而协调其自身的各种运动方式。根据鱼体上鱼鳍分布的位置将其分为中间鳍、对鳍和尾鳍。中间鳍分布在鱼体的正上方或者正下方，分布在正上方的又称为背鳍，臀鳍位于肛门之后。中间鳍能够使鱼保持平衡，在游动过程中起到辅助作用。对鳍一般分布在鱼体的胸部和腹侧，分布在胸部的称为胸鳍，能够推动鱼体前进，辅助鱼体进行转弯和加减速；分布在腹侧的称为腹鳍，在鱼类进行上浮下潜运动时能够辅助其进行升降，其次还有保持鱼体平衡的作用。尾鳍分布在鱼体的后端，是鱼体产生动力的主要动力源之一。尾鳍与鱼体相连的狭窄区域为尾柄，使鱼类具有良好的流线型，减小游动的阻力，并能减少鱼头的左右晃动，提高鱼类游动的稳定性。

对鱼类推进模式进行研究是探索鱼类高效游动机理的前提，也是研究仿生机器鱼的必要手段。鱼类的种类繁多，因此其推进模式也多种多样，目前人们对鱼类推进模式的分类也各不相同。

根据鱼类游动的运动方式和暂态特征，可将鱼类的推进模式分为两种类型：

（1）瞬时性游动。这种运动方式常见于鱼类在捕食或者躲避危险的情况，其特点是鱼类通过肌肉的快速收缩和释放产生极大的向前的推力或者转向力矩，使鱼类进行快速的前进或者快速的转弯。

（2）周期性游动。在正常情况下鱼类都处于这种推进模式，这种推进的特点是鱼类通过身体和鱼鳍产生周期性的运动，从而使鱼类可以以一定的速度进行稳态巡游。

另一种常用的分类方式是以鱼类推进时所使用的躯干部位进行分类，是P.W.Webb在1984年提出的。他将鱼类的推进模式分为两大类：身体/尾鳍（Body/Caudal Fin，BCF）推进模式，中间鳍和对鳍（Median and/or Paired Fin，MPF）推进模式[39]。所谓的BCF模式是指鱼类通过躯体和尾部肌肉的收缩，从而使鱼体往复摆动，并呈波浪式向前游动。其中根据鱼体波波数的多少又可以将其具体地划分为月牙尾模式、鲹科模式以及鳗鲡目模式。这种推进方式的推进效率高、速度快且快速启动性能好，但机动性能相对一般。而MPF模式是指鱼类利用中间鳍和对鳍进行推进、平衡和转向，这种推进模式中鱼鳍起主要作用，鱼类利用鱼鳍根部肌肉的伸缩使鱼鳍产生摆动。按照鱼鳍在推进过程中作用的大小，又可以分为电鳗科模式、隆头鱼科模式、鲀科模式以及弓鳍科模式等。MPF模式的特点是机动性能好，能够实现精确的定位，但是其游动速度和效率则相对一般。

当前已经研制出来的仿生机器鱼既有BCF推进模式，也有MPF推进模式，本书以极具观赏价值的金龙鱼为原型，进行仿生机器鱼的研制。金龙鱼属于硬骨鱼科，其推进模式为BPF模式。